四缸发动机冷却系统冷却性能分析及实验验证_谭礼斌.pdf

为了给发动机冷却系统冷却性能分析提供方法参考，以某四缸发动机冷却系统为研究对象，基于计算流体力学仿真手段对其冷却系统冷却性能进行模拟分析。结果表明该四缸发动机冷却系统在发动机转速 时的工作流量为 ，该流量工况下缸体水套排气侧区、缸头鼻梁区冷却液流速满足高温区域流速不低于.的设计要求。缸鼻梁区截面流量最小，缸鼻梁区截面流量最大。经发动机台架热平衡实验验证，缸的缸头火花塞垫片温度最高，缸的缸头火花塞垫片温度最低。实测温度结果分布趋势与各缸鼻梁区截面处流量分布、发动机缸头温度场分布趋势基本一致，表明构建的冷却系统数值仿真模型是可靠的。缸头火花塞垫片在极限工况下的最高温度 在可接受范围内（小于 ），表明该四缸发动机冷却系统的冷却性能较好，可满足该四缸发动机的冷却。关键词 四缸发动机；冷却系统；冷却液流速；热平衡实验；温度场中图法分类号.；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家自然科学基金（）第一作者：谭礼斌（），男，汉族，重庆人，博士，工程师。研究方向：热能工程及流体力学。：。通信作者：袁越锦（），男，汉族，湖南汉寿人，博士，教授，博士研究生导师。研究方向：热能利用与干燥技术。：.。，（.，；.，），.，（），；随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，人们对于摩托车的要求逐渐从注重实用性转变为注重娱乐性。高动力性、高经济性的摩托车已备受新时代摩托车骑行者的青睐。摩托车高动力性主要来源于搭载的高功率发动机。高功率发动机的开发势必会给其冷却系统带来更大的诉求。发动机冷却系统作为发动机散热的核心系统，其性能好坏决定着发动机是否在高负荷情况下正常运行而投稿网址：不发生机体过热现象。目前，针对冷却系统的研究方法主要包括热平衡实验研究、一三维联合仿真、流固耦合方法等。袁彬等对发动机水冷系统开展了试验研究，经实测验证水冷系统流量和水温满足发动机冷却。黄旭等通过整车热平衡试验对发动机冷却系统提出了优化建议，为提高发动机冷却性能和增强整车散热性提供了参考。温占永等构建了发动机冷却系统一维传热仿真分析模型，与实验值对比验证了冷却系统传热模型的可靠性，得出冷却系统水温随环境温度和海拔高度的降低而降低。张博等开展了变冷却液流量热平衡试验，分析了冷却液流量对柴油机综合性能的影响规律。徐英英等采用计算流体动力学（，）方法对发动机冷却水套内冷却液流动进行了数值分析，并提出了基于冷却液流动路径分析和流量分配合理性的水套结构改进方法，为冷却系统结构优化提供了参考。等对高性能摩托车运行时发动机散热冷却及周围气流温度场进行了模拟分析，为整车散热优化提供了理论指导。发动机冷却系统一三维联合仿真方法及流固耦合方法都属于基于“虚拟开发”平台化的数值预测方法，以计算机仿真为主实现对产品性能评估及优化，极大可能地缩短研发周期。因此，相关技术已成为发动机冷却系统性能分析及优化的重要手段。摩托车发动机功率增大和轻量化发展，使得发动机在功率点运行时的热负荷问题更为突出。为了确保某四缸发动机冷却系统的冷却性能，现以该四缸发动机冷却系统为研究对象，从系统流量、水套内冷却液流速分布及固体温度场等方面对其冷却系统的冷却性能表现进行全面评估，并结合发动机热平衡台架实验验证仿真预测结果的可靠性，以期为该四缸发动机冷却系统冷却性能的评估提供仿真数据支撑及实测的量化数据参考。发动机冷却系统物理模型搭建发动机冷却系统主要包括冷却水泵、冷却水套、节温器、散热器及连接管路等部件。图 为该四缸发动机冷却水套及缸孔的计算域模型。图 为冷却水套、节温器及相应连接管路组成的四缸发动机冷却系统计算域网格模型。该网格采用流体分析软件 中多面体网格和边界层网格技术生成，网格基础尺寸为 ，最小尺寸为 ，边界层层数为 层，边界层总厚度为.。网格划分完成后的网格数量约为 个。表示缸孔 缸孔 图 四缸发动机冷却水套及缸孔模型.图 四缸发动机冷却系统计算域网格模型.冷却系统工作流量确定冷却系统工作流量由冷却系统阻力特性曲线与水泵性能曲线共同决定。阻力特性曲线与水泵性能曲线的交点即为冷却系统的工作流量点。冷却系统阻力特性曲线采用 仿真获得。水泵性能特性曲线采用水泵测试试验台获取。该四缸发动机冷却系统中的循环流动介质为 的乙二醇和 的水的混合溶液，温度为 ，密度为.，动力黏度为.。分科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：析阻力特性曲线时，水套入口流量设置为、个工况点。水套出口设置为压力出口边界，出口压力为大气压。采用 中的 两方程湍流模型进行该四缸机冷却系统冷却性能的数值模拟。模拟中假设冷却液为不可压缩的稳态流动状态，过程中不考虑温度。图 为冷却水泵性能测试示意图。测试了发动机额定功率转速工况点 时水泵性能（传动比为.）。图 为该四缸机冷却系统工作流量点曲线。水泵性能曲线与系统阻力曲线的交点对应的流量值为 ，表明该四缸发动机冷却系统在转速 时的流量为 。冷却水套内部冷却液流动及固体温度场分析冷却流量边界可按 流量工况分析。图 冷却水泵性能测试示意图.图 冷却系统工作流量点.冷却水套流动及固体温度场结果图 为冷却水套内部截面示意图。图 为冷却水套各截面速度分布云图。可以看出，缸体水套中的冷却液流速大部分区域在 .，可满足缸体的冷却。缸头水套中上鼻梁区和下鼻梁区的冷却液流速基本都在.及以上，满足鼻梁区及排气侧区等高温区域的冷却液流速大于.的冷却设计需求。图 为冷却水套鼻梁区截面流量对比曲线。截面、的流量差异不明显，截面、的流量差异不明显，截面 的流量最大。从每个缸的总流量来看，第三缸（截面 和截面）的总流量最大，第四缸（截面 和截面）的总流量最小，第一缸和第二缸的总流量与第四缸的总流量差异不明显。冷却液流量越大，意味着该缸冷却最好。反映到实际温度测量时，该缸的火花塞垫片温度最低。图 冷却水套内部截面示意图.图 为采用有限元分析软件计算获得的发动机缸头温度场结果。从发动机缸头燃烧室侧温度结果可看出，发动机 缸（）和发动机 缸（）排气鼻梁区温度较高，分别为.和，（）谭礼斌，等：四缸发动机冷却系统冷却性能分析及实验验证投稿网址：图 冷却水套各截面速度云图.图 冷却水套截面流量对比曲线.，发动机 缸（）和 发 动 机 缸（）排气鼻梁温度相对低一些，分别为.和.。发动机 个缸的温度分布趋势从大到小排序为 缸、缸、缸、缸，最大温度差约为。总体来说，各缸温度均匀性较好，不存在较大的温度差异。从火花塞侧视图可看出，缸头火花塞座圈处的温度差异不明显，温度最高点（缸座圈）图 发动机缸头温度场结果.和温度最低点（缸座圈）相差约 。温度分布趋势与上文的流量分配趋势一致，即 缸上鼻梁区流量最小，对应的排气鼻梁区温度和缸头火花塞座圈处温度最高。发动机台架实验验证为了验证该发动机冷却系统流量及其温度表现，在发动机台架上开展热平衡实验测试，测量散热器流量、油水交换器流量、冷却系统温度。散热器流量采用电磁流量计测量，油水交换器处流量采用涡轮流量计测量。温度及压力采用相应的温度及压力传感器测量得到。图 为发动机台架实验测试示意图。图 为散热器流量测试及发动机出水温度、压力测点。图 为油水交换器流量测试及发动机出水温度、压力测点。散热器流量和油水交换器两者流量之和即为该四缸发动机冷却系统的总流量。图 为冷却系统流量测试结果。发动机转速 时冷却系统总流量实测值为.，与仿真预测值 间相差.，误差为.，表明 预测结果是可靠的。产生实测流量比仿真值偏小的可能原因之一是实验测试过程中，冷却系统中串联了流量计、温度传感器及压力传感器等测试部件，会略微增大冷却系统的流动阻力，从而使得测出的流量值比真实状态偏小。图 为缸头火花塞垫片温度测试结果。可以科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 发动机台架实验测试示意图.图 散热器流量测试及发动机出水温度、压力测点.图 油水交换器流量测试及散热器出水温度、压力测点.看出，缸温、缸温、缸温间的温度差异不大，其中，缸温度相比 缸和 缸温度高 。缸温度最低，缸温和 缸温间的温度差异为 。发动机转速 时 缸温和 缸温间温度差为.。缸头火花塞垫片温度分布趋势与上文各缸鼻梁区流量分配趋势一致，即 缸鼻梁区总流量最小，缸鼻梁区总流量最大，与之对应的 缸的缸头火花塞垫片温度最高，缸的缸头火花塞垫片温度最低。由于 缸、缸和 缸在鼻梁区冷图 冷却系统流量测试结果.图 缸头火花塞垫片温度测试结果.却液流量差异不明显，因此对应的缸头火花塞垫片温度的差异也不明显。该温度实测结果与发动机缸头温度场分析结果也基本吻合，都体现为 缸温度最高、缸温度最低。总体来说，缸、缸、缸、缸的缸头火花塞垫片在极限工况下的最高温度 在可接受范围内（小于 ），表明该四缸发动机冷却系统的冷却性能较好，可满足该四缸发动机的冷却。结论采用 方法对四缸发动机冷却系统进行了数值模拟分析，并开展了发动机台架实验验证。该四缸发动机冷却系统在发动机转速 时的工作流量为 ，该流量工况下冷却水套冷内部缸头鼻梁区截面、排气侧区域都满足高温区域冷却液流速.的设计要求。经实验验证，冷却系统在发动机转速 时的实测系统流量为.，缸头火花塞垫片温度最高的为 缸，温度为，满足缸温小于 的要求。实，（）谭礼斌，等：四缸发动机冷却系统冷却性能分析及实验验证投稿网址：测的缸温分布趋势与水套内部各缸鼻梁区流速、缸头温度场分布趋势一致，表明搭建的冷却系统数值模拟模型是有效的，且可较准确地预测发动机冷却系统的冷却性能。研究结果可为四缸发动机冷却系统冷却性能评估及结构改进提供仿真数据支撑。参考文献 滕怀钰，刘佳鑫，邢梦龙，等 车用发动机冷却系统研究进展 车用发动机，（）：，（）：，：雷良新，陶乐仁，孙悦，等 发动机冷却系统建模与仿真优化研究 农业装备与车辆工程，（）：，（）：梁小林 混合动力特种车辆冷却系统仿真与试验研究 北京：北京理工大学，：，袁彬，张志伟，刘宝玉 发动机水系统试验方法分析及改善研究 汽车实用技术，（）：，（）：黄旭，陈楠，马东元，等 微型汽车发动机整车热平衡试验设计及试验结果分析 时代汽车，（）：，（）：温占永，田亚明，孙鹏晖 航空活塞发动机冷却系统建模及仿真研究 内燃机，（）：，（）：张博，张萍，郭旭，等 基于热平衡试验分析冷却系统对高强化柴油机的影响 船海工程，（）：，（）：徐英英，文怀兴，谭礼斌，等 基于 的冷却水套三维仿 真 分 析 科 学 技 术 与 工 程，（）：，（）：，：李君，付莹，曲大为，等 基于 的拖拉机发动机舱三维仿真分析 科学技术与工程，（）：，（）：，：，：谭礼斌，袁越锦，黄灿，等 冷却系统节温器部件的流阻分析及结构 改 进 科 学 技 术 与 工 程，（）：，（）：徐英英，文怀兴，谭礼斌，等 某电机环形水套流场计算流体动力学模拟及结构优化 科学技术与工程，（）：，（）：.科 学 技 术 与 工 程 ，（）